第4章 渗流力学基础.pptVIP

* 第四章 渗流力学基础 §4-1 概述 §4-2 渗流的基本规律 §4-3 渗流的运动方程组 §4-4 非稳定渗流基本微分方程 §4-5 布西尼斯克方程 §4-6 渗流数学模型 第四章 渗流力学基础 §4-1 概述 一、岩石空隙、含水层、储油（气）层 岩石中的空隙：孔隙、裂隙、溶隙——可含水、含气、含油等流体 地下水：泛指地面以下的所有的水，即储存与运移于岩石空隙中的水 含水层：含水并能够透过相当数量水的岩层 隔水层：不能透过或透过水量很微弱的岩层 储油层：除含水外至少还含有一种液相或气相碳氢化合物的多孔地层 二、水在岩石中运动的基本概念——建立在多孔连续介质基础上 1、渗流与渗透(V≡nu)←应在流量、压力(水头)、阻力三方面相等 2、运动要素：诸物理量B （V、 p、ρ等）←为宏观渗流的物理量 3、水头：H = Z + p /（ρg） ←忽略流速水头（渗流速度慢） 4、水力学的有关概念和水流分类→均适用于渗流 如—迹线、流线，等水头线、流网，稳定流、非稳定流，均匀流、非均匀流，有压流、无压流，层流、紊流，一维流、二维流、三维流等 相对的概念—弱透水层 土中的水 按照水的 存在状态 饱和带水按含水层埋藏条件 浸润面: 重力水与毛细水的分界面,实际应为饱和带和非饱和带的分界面. 非饱和带 饱和带 潜水 承压水（自流水） 分 分 非饱和带 饱和带 重力水区 （承压水） 重力水区 （潜水） 地面 潜水面 隔水层 §4-2 渗流的基本规律 一、均质、非均质及各向同性、各向异性的概念 均质、非均质：多孔介质的某种性质是否与介质内的空间坐标有关 各向同(异)性：多孔介质的某种性质是否与介质内某点的方向有关 二、线性渗流规律—达西定律 1、H.Darcy（1856年）实验定律—均质等温不可压缩流体渗流方程 式中：渗透系数K—水力坡度J=1时的渗流速度V（单位面积的流量） J=△H/L— 促使液体渗流的能量（驱动力） R=1/K—渗流过程中液体所受到的地层阻力 2、达西公式的适用范围 上限：达西定律在水头中忽略了动能项，故仅适用于V很小（层流）的情况， 即雷诺数Re＜1—10的层流（粘滞力占优势） 下限：岩石空隙中存在结合水，故细粒土中渗流需起始水力坡度J0才能突破 结合水而运动， J0即为达西定律适用范围的下限 → 两力的制衡关系 （V=J/R） H1 z1 △H=H1-H2 z2 H2 L 基准面 量筒 Q A A 达西定律 （Darcy’s Law） 达西 （Henri Darcy） 1856年总结提出的定律 3、渗透系数K与渗透率k—可由等直径圆管有压流的层流公式导出 渗透系数K——是综合反映多孔介质特性（孔隙度n及其结构特性ε）、 渗流流体性质（重度γ和粘滞性μ）的参数 渗透率k——反映多孔介质特性的参数，表示允许流体通过的潜在能力 K与k的关系式： 4、达西定律的推广 (1)各向同性多孔介质——流线与等水头线正交 对于均值介质 ——K = const 对于非均值介质——K = K（x，y，z） K、k——都是标量 (2)各向异性多孔介质——流线与等水头线一般不正交 K、k——都是二阶对称张量 坐标与主轴重合Kij=0,i≠j 非均值介质 均值各向同性介质 三、非线性渗流规律 对雷诺数Re＞1—10的层流（惯性力占优势）及紊流，达西定律已不再适用，比较常用的非线性方程： 式中：a、b——由实验确定的系数 m——与紊流程度有关的系数（1.6≤m≤2） 线性渗流→非线性渗流是个渐变过程，两者没有一个确切的数字界限，常用实测数据绘制V—J曲线来判断 §4-3 渗流的运动方程组 一、渗流阻力 R=-g J —单位质量流体的渗流阻力（质量力） 设：R、ds为单位质量流体沿流向所受到的渗流阻力和发生的位移 则：阻力作功为 -R·ds → 单位重量流体阻力作功为dW=- R·ds/g ∵ 沿ds单位重量流体能量（H）的消耗量-dH = 阻力沿ds作功dW 二、渗流的运动方程 —据欧拉运动方程推导 质量力f仅考虑重力g与渗流阻力 R →f = g + R，g =｛0，0，-g｝ ∵水头与压强关系 ∴对均质等温（不）可压缩流体有： 达西定律 （各向同性介质 K=1/m） ds M=1 R 设：u-渗透速度（真）， V-渗流速度（假），Φ-系统内流体总质量 推论：均质等温不可压缩流体在骨架不可压缩含水层中的渗流